明挖隧道与盾构隧道下穿铁路桥变形影响及隔离桩效果

吕昌怀 刘燕，2 张亮亮 杜昌言

1.济南大学土木建筑学院，济南 250022；2.山东省城市地下工程支护及风险监控工程技术研究中心，济南 250022；3.中铁第四勘察设计院集团有限公司，武汉 430063；4.中铁十四局集团有限公司，济南 250101

随着城市轨道交通的逐渐发展，地铁隧道与桥梁地上地下纵横交错的现象愈发常见。修建铁路桥梁时对桥墩、桥桩变形要求极其严格，众多学者对隧道、基坑下穿桥梁的变形影响及加固措施进行了研究。王继峰等［1］通过数值模拟与现场监测研究了盾构隧道下穿铁路框架桥时结构及地表变形特征，并提出了新型的地表注浆工艺；姜谙男等［2］围绕大连地铁2号线香工街车站的盖挖法施工，采用正交设计法进行数据分析，得到各施工因素对桥桩影响的敏感性排序；张学钢、闫琪等［3-4］分析了地铁暗挖隧道施工过程中邻近既有桩基的受力与变形规律；胡雄玉［5］通过分析不同加固方式下盾构隧道掘进对近接桩基位移和内力的影响，发现对穿越地层进行加固能有效降低桩基的侧向位移和附加内力；赵晓勇［6］通过分析盾构隧道侧穿高速铁路桥桩时桩基的变形规律，提出了隔离桩最优设置范围；邢慧堂等［7］研究了隔离桩对不同埋深盾构隧道施工的影响，结果表明在新建盾构隧道与邻近高速铁路桥桩之间施作隔离桩，可以有效减小隧道施工的影响范围及施工对邻近桥桩的影响。

既有文献大多集中于某一隧道或基坑下穿桥梁的案例，对明挖隧道与盾构隧道先后下穿桥梁的分析尚不多见。本文以济南市双线明挖隧道与盾构隧道先后下穿铁路桥梁为工程依托，通过MIDAS GTS/NX有限元软件，研究双线明挖隧道和盾构隧道施工时铁路桥梁的桥墩、桥桩位移变化规律及隔离桩的保护效果。

1 工程概况

双线明挖隧道以88°夹角下穿客运专线及联络线，隧道穿越处客运专线、联络线均为铁路桥梁。双线明挖隧道从A#、B#、C#桥墩处下穿客运专线铁路桥；从1#、2#、3#桥墩处下穿联络线铁路桥，平面位置见图1。

图1 双线明挖隧道与客运专线、联络线平面位置示意

客运专线铁路桥各桥墩承台（厚2.2 m）下方设10根ϕ1 m钻孔灌注桩，桩长40～44 m；联络线铁路桥各桥墩承台（厚2.0 m）下方设8根ϕ1 m钻孔灌注桩，桩长44～46 m。东、西线明挖隧道基坑均长91 m，宽15 m，深10.5 m。双线明挖隧道穿越后，双线盾构隧道从其下方穿越铁路桥梁，东、西线盾构隧道外径均为6.4 m，管片厚0.3 m，盾构隧道中心与明挖隧道结构底板的竖向距离为7.79 m，具体见图2、图3。

图2 下穿客运专线横断面（单位：m）

图3 下穿联络线横断面（单位：m）

隧道穿越处土层主要为粉土、粉质黏土，隧址区地下水类型为第四系孔隙潜水，地下水埋深1.4～5.8 m。

2 对比方案

为保护既有铁路桥墩和桥桩，拟定了两种方案对比分析。方案1：明挖隧道基坑仅采用ϕ1 m@0.8 m钻孔灌注桩作为围护桩，桩长24.5 m。方案2：在方案1的基础上另外在靠近明挖隧道处的铁路桥墩（A#、B#、C#及1#、2#、3#）周围布置ϕ0.8 m@1 m钻孔灌注桩作为隔离桩，桩长亦为24.5 m，见图4。

图4 围护桩与隔离桩平面位置

3 数值模拟

3.1 模型建立

考虑到边界效应，边界距坑边的距离均大于3倍基坑开挖深度。数值模型（图5）尺寸为200.0 m（长）×130.0 m（宽）×52.4 m（高）。模型中仅建立桥墩及桥桩，根据TB 10621—2014《高速铁路设计规范》将桥梁上部结构荷载简化为面荷载，施加在桥墩面上。客运专线、联络线面荷载分别取1 465.56、1 765.66 kN/m2。

图5 数值模型

3.2 计算参数确定

模型中各结构参数见表1，土层力学参数见表2。

表1 结构参数

表2 土层力学参数

3.3 施工步骤

①双线明挖隧道基坑围护桩施工（方案2需增加隔离桩施工）；②西线明挖隧道基坑开挖至地下1 m，浇筑第一道混凝土支撑；③西线明挖隧道基坑开挖至地下5 m后架设第二道钢支撑，并开挖至坑底；④西线明挖隧道主体结构施工；⑤西线明挖隧道覆土回填；⑥东线明挖隧道基坑开挖至地下1 m，浇筑第一道混凝土支撑；⑦东线明挖隧道基坑开挖至地下5 m后架设第二道钢支撑，并开挖至坑底；⑧东线明挖隧道主体结构施工；⑨东线明挖隧道覆土回填；⑩西线盾构隧道施工；⑪东线盾构隧道施工。

3.4 模拟结果分析

3.4.1 桥墩竖向位移

在双线明挖隧道施工过程中，两种方案桥墩最大累计竖向位移均出现在东线明挖隧道基坑开挖至坑底（施工步7）时，且均出现在B#桥墩，故以B#桥墩为例进行分析。

两种方案B#桥墩累计竖向位移见图6。其中负值表示沉降。可知：①方案1、方案2最大累计竖向位移分别为-3.610、-1.137 mm，与方案1相比，方案2中B#桥墩最大累计竖向位移减小了68.5%，可见隔离桩对桥墩竖向位移的控制效果显著。②方案1明挖隧道围护桩施工+基坑开挖（施工步1～3+施工步6～7）、明挖隧道主体结构施工+覆土回填（施工步4～5+施工步8～9）、盾构隧道下穿（施工步10～11）所导致的桥墩竖向位移分别占桥墩总竖向位移的60.14%、27.07%、12.79%。

图6 两种方案B#桥墩累计竖向位移对比

方案2中各桥墩累计竖向位移变化曲线见图7。可知：①双线明挖隧道基坑的围护桩及隔离桩施工（施工步1）使所有桥墩沉降0.25 mm左右，西线明挖隧道基坑开挖（施工步2～3）使桥墩继续沉降，主体结构施工+覆土回填（施工步4～5）使桥墩隆起，最大隆起量为0.141 mm（B#桥墩）。②西、东线盾构隧道施工（施工步10～11）所导致的桥墩最大沉降量为0.140 mm（B#桥墩）。

图7 方案2各桥墩累计竖向位移变化曲线

3.4.2 桥桩水平位移

由于各个桥墩承台下的桩数较多，本文选取C#桥墩下中心位置的桩进行分析。两方案C#墩桥桩的最大水平位移均出现在东线明挖隧道基坑开挖至坑底（施工步7）时。两方案在施工步7时C#墩桥桩水平位移见图8。可知：方案1、方案2在施工步7最大水平位移分别为3.943、1.551 mm，采用隔离桩后C#墩桥桩最大水平位移减小了60.7%。

图8 两种方案在施工步7时C#墩桥桩水平位移对比

方案2各施工步下C#墩桥桩水平位移曲线见图9。其中向坑内位移为正。可知：①西、东线明挖隧道基坑开挖（施工步2～3+施工步6～7）使桥桩发生了两次较大位移，西、东线隧道基坑开挖所导致的C#墩桥桩最大水平位移分别为0.314、0.665 mm。由于C#墩桥桩位于双线明挖隧道东侧，故西线隧道基坑开挖对桥桩的影响比东线隧道基坑开挖时小。②西、东线盾构隧道施工（施工步10～11）会使桥桩整体向坑内位移，深26 m处C#墩桥桩向坑内移动了0.088 mm，其值是深24 m处位移（0.062 mm）的1.42倍。这是由于围护桩和隔离桩的桩长均为24.5 m，围护桩与隔离桩对该范围内桥桩的保护作用好于24.5 m深以下。

图9 方案2各施工步下C#墩桥桩水平位移曲线

4 结语

1）两方案均在东线明挖隧道基坑开挖至坑底时桥墩累计竖向位移达到最大值，且均出现在B#桥墩，其值分别为-3.610、-1.137 mm。方案1明挖隧道围护桩施工+基坑开挖、明挖隧道主体结构施工+覆土回填、盾构隧道下穿所导致的桥墩竖向位移分别占桥墩总竖向位移的60.14%、27.07%、12.79%。

2）桥桩会随着明挖隧道基坑的开挖向坑内移动，桥桩水平位移最大值出现在东线明挖隧道基坑开挖至坑底时。受桩长限制，围护桩和隔离桩对深24.5 m以下桥桩的保护作用减弱。

3）在围护桩的基础上增加隔离桩，对桥墩和桥桩位移的控制效果显著。与不采用隔离桩相比，桥墩最大累计竖向位移减小了68.5%，桥桩最大水平位移减小了60.7%。